Thin film GaAs solar cell
Introduction
設(shè)計太陽能電池的主要挑戰(zhàn)之一是使效率最大化。在這個例子中，我們考慮了在理論上的Shockley-Queisser極限下降低單個結(jié)GaAs太陽能電池效率的光電因素。
Overview
這一令人震驚的限制為使用熱力學(xué)參數(shù)的單結(jié)太陽能電池的效率設(shè)定了一個基本的理論限制[Shockley61]。在極限的推導(dǎo)中，有三個關(guān)鍵的假設(shè)
- 所有入射光都在材料的帶隙下方被吸收，每個被吸收的光子都產(chǎn)生一個電子-空穴對
- 唯一的重組來源是直接(帶對帶)輻射重組(滿足詳細平衡原則)
- 除此之外，電荷的傳輸沒有任何限制(無限的流動性，完美的反射觸點)
Shockley-Queisser極限值與AM1.5G太陽能光譜結(jié)合后，將單個結(jié)型光伏電池的最高效率設(shè)置為33.7%，理想帶隙為1.34eV，非常接近GaAs(最大理論效率為32.8%)[Araujo90]。AM1.5G太陽光譜的Shockley-Queisser極限，以及GaAs帶隙的位置，繪制在下圖中[Wiki04]
考慮到絕對效率的限制。 基本損失來源包括黑體輻射(太陽能電池通常認為溫度為Tearth),輻射復(fù)合(細致平衡原理的要求),和材料的非零帶隙(減少了可以吸收的波長范圍)。當(dāng)使用AM1.5G譜作為源時(總功率密度為100mW/cm2)，所有波長的吸收光子總數(shù)將能夠產(chǎn)生電流為
然而GaAs的帶隙為1.424eV，這讓它能吸收的波長范圍限制在870nm以下。在沒有輻射重組的情況下，GaAs將能夠產(chǎn)生大約32.2mA/cm2的等效電流(根據(jù)太陽腳本命令提供的數(shù)據(jù)計算)。如下圖所示。
為了模擬入射光的理想吸收，我們求解了一個簡單的無反射的一維吸收方程。首先，我們注意到表面電場與光譜輻照度有關(guān):
假設(shè)每個吸收光子產(chǎn)生電子空穴對,生成率作為深度的函數(shù)z和波長λ
(有關(guān)生成率的詳細公式，請參閱白皮書(光敏器件的光電建模)。用電場代替，對波長積分，凈生成率為
以確保完整的光譜范圍內(nèi)的吸收砷化鎵(即光子能量大于帶隙),可以使用人造折射率,擁有大量恒定值波長低于砷化鎵帶隙,和是零(下面的情節(jié)比較虛指數(shù)砷化鎵的理想化的完美吸收器)。兩個理想(無反射)1D吸收曲線如下圖所示(右)，將GaAs的現(xiàn)實指標與人工的GaAs相比較，確保完全吸收。在fo中，這些生成率概要被用作理想的數(shù)據(jù)源。
<figure class="double-col">
<img src="https://kb.lumerical.com/en/solar_gaas_perfect_im_index_zoom148.png" >
<img src="https://kb.lumerical.com/en/solar_gaas_generation_compare_zoom105.png" >
</figure>
要計算1D生成率概要文件并將結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)文件中以導(dǎo)入設(shè)備模擬，腳本solar_gaas_ideal_1d_absoprtion。lsf在相關(guān)文件中提供。打開solar_gaas。fsp項目并從FDTD解決方案中運行腳本，以使用與當(dāng)前示例對應(yīng)的GaAs的材料屬性。
Shockley-Quessier 極限下的理想電學(xué)結(jié)構(gòu)和效率
為了構(gòu)造理想的電收集結(jié)構(gòu)，必須滿足Shockley-Quessier極限的條件。這些包括
- 遷移率為無限大
- 沒有非輻射復(fù)合過程
- 完美反射的電極（少數(shù)載流子）
這種結(jié)構(gòu)可以通過仔細控制半導(dǎo)體材料模型來模擬。打開solar_gaas。在設(shè)備ldev項目。在這個項目文件中，添加了用于AlGaAs的半導(dǎo)體材料，并創(chuàng)建了GaAs(“GaAs (Gallium Aresenide) - Ideal”)和AlGaAs的修改版本。在初始配置中，GaAs和AlGaAs層由理想的材料版本定義(這可以通過編輯結(jié)構(gòu)的屬性和檢查材料屬性來確定)。圖中描述了來自[Wang13]的結(jié)構(gòu)和摻雜.
對理想的GaAs材料模型做出如下調(diào)整：
- 所有的非輻射復(fù)合都被禁止
- 電子和空穴的遷移率都被設(shè)置為很大值
此外，對空穴有效質(zhì)量進行了輕微的減小，使其與理論的反向偏置飽和電流接近，進而影響開路電壓。
在GaAs與頂部和底部的AlGaAs層之間的異質(zhì)結(jié)中，帶偏移量自然地反映了事件的少數(shù)載流子，滿足了完全反射的接觸條件。仿真布局包含一個帶結(jié)構(gòu)監(jiān)視器(monitor)，它將在仿真的活動區(qū)域記錄一個帶結(jié)構(gòu)的一維輪廓。為了更準確地插補光率，在GaAs層的表面包含兩個網(wǎng)格覆蓋區(qū)域。通常情況下，自動網(wǎng)格細化會精確地插入光的生成速率，但是在理想的(完全吸收)情況下，靠近表面的變化需要額外的約束。對空間電荷層(SCL)增加了一個網(wǎng)格約束，并減少了電荷的最小和最大邊緣長度，以便與理論結(jié)果更接近。
理想的(完全吸收的)光產(chǎn)生率從以前的1D計算包括作為一個電子-空穴對(ideal_ogr)的來源。對象本身在z中被-30nm偏移以使其與GaAs層的頂部表面對齊(回想一下理想的1D吸光度計算假設(shè)從GaAs表面開始反射為零)。另一個光學(xué)生成速率對象(ogr)在這個模擬中被禁用。
運行模擬，將偏差從0掃到1.13V。使用下面的腳本命令繪制當(dāng)前密度和光電效率，將結(jié)果規(guī)范化為太陽能電池的名義1cm2區(qū)域。請注意，在效率計算中，太陽能電池(P = JV)的功率與AM1.5G照明的入射功率之比等同于所發(fā)功率(以百分比計算)，因為AM1.5G頻譜歸一化后可傳輸100mW/cm2:
<pre><code> normarea = (getnamed('CHARGE simulation region','x span')getnamed('CHARGE','norm length'));
base = getresult('CHARGE','base');
?Jb = 0.1pinch(base.I)/normarea; # mA/cm2
Ve = base.V_emitter;
plot(Ve,Jb,'voltage (V)','current density (mA/cm2)');
plot(Ve,Jb*Ve,'voltage (V)','efficiency (%)');
</code></pre>
<figure class = double-col>
<img src = "https://kb.lumerical.com/en/solar_gaas_iv_curve_zoom126.png">
<img src = "https://kb.lumerical.com/en/solar_gaas_eta_zoom125.png">
</figure>
在前面的仿真中，短路電流密度為32.6mA/cm2，開路電壓約為1.12V，最大光伏效率為32.4%，接近于Shockley-Queisser極限所得到的理論最大值。在電子仿真的建立過程中，對網(wǎng)格的離散化和光生成速率的插值進行了研究。為了在本例中進行進一步的比較，我們將使用最大光伏效率32.4%作為參考。
為了查看能帶結(jié)構(gòu)，選擇band structure monitor，可視化"bandstructure" 數(shù)據(jù)表. 少數(shù)載流子阻擋層在頂部和底部的異質(zhì)結(jié)層清晰可見。
實際光學(xué)結(jié)構(gòu)
為了考慮實際的光學(xué)效果，將進行FDTD模擬。影響光學(xué)響應(yīng)的設(shè)計包括
- 前表面的反射(非理想的抗反射涂層)
- 非理想的背電極反射
- 不完全的吸收（實際的折射率）
- 電極陰影效應(yīng)
在光學(xué)模擬中可以很容易地處理前三個組件。下載并打開solar_gaas.fsp。分層的太陽能電池結(jié)構(gòu)包含在“背面反射器”結(jié)構(gòu)中。這包括與前面描述的相同維度的AlGaAs/GaAs/AlGaAs堆棧。在背面，和鋁接觸層包括在內(nèi)。在前表面添加了一層抗反射涂層(ARC)，其折射率為1.4。該ARC的厚度變化以最大限度地提高GaAs的光吸收(在項目文件中包含一個掃描“ARC”，可用于改變電弧厚度并監(jiān)測GaAs層中電子-空穴對的凈生成)。最佳厚度為0.1um。
采用平面波源提供照明，加入太陽能發(fā)電速率分析對象(refl_gen)計算AM1.5G太陽光譜源的產(chǎn)生速率和理想短路電流密度。在GaAs表面增加了一個網(wǎng)格覆蓋，以提高吸收功率計算的分辨率，因為在較短的波長下，光大部分被吸收在表面。
